Argonne 启动 100 万美元项目，研发用于粒子物理的金刚石量子传感器

这项工作的核心是钻石中被称为 氮-空位 (NV) 中心的微小缺陷。当 氮 原子位于钻石晶体中缺失的 碳 原子旁边时，就会产生这些缺陷，它们的行为就像一个具有不同能级的微小、被捕获的磁体。它们的能级会随磁场和电场而移动。研究人员使用光和微波从中读取信息，使传感器能够以极高的灵敏度测量电磁场。

Argonne 及其合作伙伴多年来一直在推进钻石中 NV 中心的研究。现在，研究人员正致力于使其适应 high energy physics 的需求。

“理想的情况是，我们已经开发出了这种技术上可集成的平台，第一次可以将这些量子传感器实际放入现有的微电子系统中，”Argonne 科学家、项目共同负责人 Nazar Delegan 说。​“从工程和科学的角度来看，我们拥有很大程度的灵活性。”

这种灵活性非常重要，因为不同的 high energy physics 实验有不同的要求。有些必须在暴露于强辐射的区域运行。有些需要极其精确的测量。还有一些则对仪器的空间有限。

该项目研究人员将追求多个目标，包括制造超高精度 NV 量子传感器原型和广域磁场图系统。他们还将为专为快速变化的电磁环境设计的传感器阵列奠定基础。

首要任务是使钻石材料适应 high energy physics 实验的需求。随后，科学家将在实验室和操作环境中测试传感器，包括高磁场和高辐射环境。最后阶段将侧重于开发可集成到未来实验中的实地应用原型。

该项目凸显了跨学科研究的力量。quantum information science 和 particle physics 的进展通常沿着不同的路径进行。如今，最初为量子信息应用开发的技术正在医疗和国家安全等领域得到日常应用。high energy physics 也越来越多地从这些进步中受益。

基于钻石的量子传感器天然具有抗辐射性，使其在苛刻的环境中具有吸引力。它们紧凑的尺寸可以减少实验所需的布线和仪器数量，而它们同时测量多个量的能力可以为科学家提供更完整的实验条件图景。

这项工作也为学生和早期职业研究人员创造了机会。由于该项目跨越了 quantum information science、材料科学、工程和 particle physics，参与者将获得跨越传统学科边界工作的经验——这是现代科学中一项日益宝贵的技能。

“我感到兴奋的事情之一是聘请一位能够同时适应这两个领域的初级科学家，并开始像这两个领域的特使一样行事，看到这种成长显然是非常值得的，”Delegan 说。

最终，研究人员希望这项技术具有足够的通用性，能够为许多不同的实验服务。

“我们正在寻找一个相当多元化的平台，可以在各种情况下实现这种场绘图，”Winter 说。

该项目也是使该技术在基础科学之外得到更广泛应用的第一步。

“这是可能的量子革命的另一个前沿，”Delegan 说。​“这些技术现在已经足够先进，我们可以考虑实际应用，甚至可能导致一些商业开发。Five 或 10 年前，这还像是科幻小说。但现在我们倾向于认为，这些是将这些设备变得对其他科学家和我们自己都有用的实用路径。”

如果取得成功，该项目可以帮助科学家进行更精确的测量，减少不确定性，并为探索宇宙的基本本质开辟新的可能性——而这一切都是通过利用钻石内部微小缺陷的量子特性实现的。

这项研究 将获得资助，资助来自 DOE 的 Office of High Energy Physics 旗下的 Quantum Information Science program。

Argonne National Laboratory 通过在几乎每个科学学科进行前沿的基础和应用研究，寻求解决国家紧迫的科技问题。Argonne 由 UChicago Argonne, LLC 为 U.S. Department of Energy’s Office of Science. 代管。

The U.S. Department of Energy 的 Office of Science 是美国物理科学基础研究的最大支持者，正致力于解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。如需更多信息，请访问 https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience。